Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Товароведение arrow Электроника

Сглаживающие фильтры

Для питания электронной аппаратуры допускается пульсация напряжения, не превышающая долей процента, однако на выходе выпрямителей пульсации значительно больше. Для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, которые должны максимально уменьшить (подавить) переменные составляющие и с возможно меньшими потерями пропустить постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

Сглаживающие фильтры

Рис. 2.30. Сглаживающие фильтры:

а – RC-фильтр; б – график, поясняющий работу фильтра: в – LC-фильтр; г – П-образный RС-фильтр

Простейшим фильтром служит конденсатор, включенный на выходе выпрямителя В параллельно нагрузке (рис. 2.30, а), который запасает энергию, заряжаясь во время возрастания напряжения выпрямителя, и отдает ее, разряжаясь на сопротивление нагрузки, когда оно снижается. На рис. 2.30, б показана форма напряжения на конденсаторе Uc (а значит, и на параллельно включенном Rн) при двухполупериодном выпрямителе.

Для дальнейшего снижения пульсаций применяют Г-образные LC-фильтры (рис. 2.30, в). Индуктивное сопротивление стремятся сделать значительно больше Rн для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного напряжения с частотами пульсаций от основной со и выше "задерживались" бы фильтром в виде падения напряжения на XL, не достигая нагрузки. Емкостное же сопротивление выполняют значительно меньше, чем RH, для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного тока замыкались через Хс, минуя R,,. При этом постоянная составляющая тока, для которой , не создает падения напряжения на Lф и не замыкается через Сф, целиком поступая в нагрузку.

Недостатком LC-фильтров является громоздкость и трудность изготовления индуктивности в микроэлектронном исполнении. Поэтому в интегральных микросхемах при токах нагрузки в несколько миллиампер используют П-образные RС-фильтры (рис. 2.30, г), несмотря на их несколько худшие сглаживающие свойства и меньшие КПД.

Линейные стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение на нагрузке при изменении в определенных пределах таких дестабилизирующих факторов, как напряжение первичного источника, сопротивление нагрузки, температура окружающей среды.

Существует два вида стабилизаторов – параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор использует элементы, в которых напряжение остается неизменным при изменении протекающего через них тока. Такими элементами являются стабилитроны, в которых при изменении тока в очень широких пределах падение напряжения изменяется на доли процента (см. параграф 1.2). Параметрические стабилизаторы применяются, как правило, в качестве источников опорного (эталонного) напряжения в мощных компенсационных стабилизаторах (рис. 2.31).

Структура компенсационного стабилизатора напряжения (а), его простейшая реализация (б) и график, поясняющий выбор рабочей точки (в)

Рис. 2.31. Структура компенсационного стабилизатора напряжения (а), его простейшая реализация (б) и график, поясняющий выбор рабочей точки (в)

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на сравнении фактического напряжения на нагрузке с эталонным и увеличении или уменьшении в зависимости от этого отклонения выходного напряжения. Эталонное напряжение формируется источником опорного напряжения (ИОН). В сравнивающем элементе (СЭ) происходит сравнение напряжения на нагрузке с эталонным и выработка управляющего сигнала рассогласования. Этот сигнал усиливается усилителем (У) и подается на регулирующий элемент (РЭ), который обеспечивает такое изменение выходного напряжения, которое приводит к приближению фактического напряжения на нагрузке к эталонному значению.

Основным параметром стабилизатора является коэффициент стабилизации – отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе:

В простейшем компенсационном стабилизаторе опорным напряжением является напряжение Ucт стабилитрона VD, а сравнивающим элементом, усилителем и одновременно регулирующим элементом – транзистор (см. рис. 2.31, б).

Выходное напряжение (как это видно по знакам "+" и "-" на схеме) Uвых = Uст UЭБ. Ток через резистор RБ образуется сложением двух токов: тока стабилитрона Iст и тока базы IБ. Режим работы транзистора выбирают таким образом, чтобы исходная рабочая точка р располагалась на середине линейного участка его входной характеристики (см. рис. 2.31, в). Напряжение UЭБ при этом составляет 0,-0,3 В. Так как напряжение стабилитрона обычно около 8 В, то Uвых ≈ UCT.

Предположим, что по каким-либо причинам напряжение на нагрузке уменьшилось. Это приведет к увеличению падения напряжения UЭБ= Uст – Uвых, что, в свою очередь, увеличит степень открытия транзистора. В результате падение напряжения на транзисторе UKЭ уменьшится, а значит, увеличится напряжение на нагрузке Uвых= UBX – UΚЭ, и в итоге напряжение на нагрузке восстановится. Аналогичное восстановление выходного напряжения произойдет и при его увеличении. Только в этом случае произойдет уменьшение степени открытия транзистора и соответствующее увеличение падающего на нем напряжения Uкэ.

Транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, входным напряжением которого является UCT. Так как IБ << Iн, схема позволяет отдавать в нагрузку значительную мощность. Коэффициент стабилизации такой схемы составляет Кст = 150–300. В рассмотренной схеме сигнал рассогласования формируется на самом регулирующем транзисторе. Болес высокую степень стабилизации обеспечивают схемы, в которых на базу регулирующего транзистора поступает предварительно усиленный сигнал рассогласования.

В рассмотренных стабилизаторах напряжения регулирующий транзистор всегда открыт, а саморегулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т.е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.

Импульсные стабилизаторы напряжения

В отличие от ранее рассмотренных линейных стабилизаторов, в импульсных стабилизаторах напряжения транзистор, через который течет ток в нагрузку, периодически открывается и закрывается, т.е. работает в ключевом режиме. Причем регулирование осуществляется путем изменения паузы, в течение которой через ключевой транзистор течет ток нагрузки от источника постоянного входного напряжения. Таким образом, транзистор работает не в линейном, а в импульсном режиме: он либо полностью открыт, либо полностью закрыт. В таких стабилизаторах среднее значение напряжения на нагрузке Uвых = UBXt / T, где Т – период следования импульсов; t – продолжительность замкнутого состояния ключа.

Импульсные стабилизаторы обеспечивают более высокий КПД, так как в полностью открытом состоянии на транзисторе падает очень небольшое напряжение, а следовательно, мощность, рассеиваемая на транзисторе, гораздо меньше той мощности, которая рассеивается в линейных стабилизаторах.

Поскольку регулирование осуществляется путем изменения ширины импульсов t, этот принцип работы получил название широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Импульсные стабилизаторы (рис. 2.32), так же как и линейные, являются компенсационными. Сигнал рассогласования Up, образованный сравнивающим элементом СЭ и усиленный усилителем (У), преобразуется в импульсы, следующие с одинаковой частотой, длительность которых tвкл изменяется под действием сигнала рассогласования. Эти импульсы открывают и закрывают ключевой транзистор VT, который вместе с диодом VD и LС-фильтром образует импульсный регулирующий элемент.

Импульсный стабилизатор напряжения (a) и происходящие в нем процессы (б)

Рис. 2.32. Импульсный стабилизатор напряжения (a) и происходящие в нем процессы (б)

Пока напряжение пилообразного напряжения Uп < Up (участок t0 – t1 на рис. 2.32, б), транзистор заперт. В течение времени t1 – t3, когда Uп > Up, транзистор открыт, и напряжение t/BX приложено к дросселю. Под действием UBX диод VD запирается, а ток через дроссель iдр увеличивается, запасая энергию в индуктивности. До тех пор, пока ток дросселя не достигнет значения постоянного тока нагрузки Iп (участок t1 – t2), конденсатор С разряжается на нагрузку и напряжение на нем Uc снижается. С момента времени ί2> когда iдр > Iн конденсатор начнет подзаряжаться разностью токов iдр – Iн. В момент t3 запирания транзистора ЭДС самоиндукции дросселя открывает диод и ток дросселя, замыкаясь через диод, протекает по нагрузке и до момента t4 продолжает заряжать конденсатор, отдавая ему запасенную дросселем энергию. На участке t4 – t5 ток дросселя меньше тока нагрузки и нагрузка подпитывается током разрядки конденсатора. С момента t5 процесс повторяется.

Пусть выходное напряжение станет меньше заданного значения и напряжение рассогласования Up уменьшится на величину -ΔUρ. Тогда момент времени, когда пилообразное напряжение, формируемое ГПН, станет равным напряжению Up, наступит раньше, а время открытого состояния транзистора tвкл, формируемого ШИМ, увеличится. Это приведет к возрастанию выходного напряжения UBbIX и восстановлению сто заданного значения. Если же выходное напряжение увеличится, напряжение рассогласования также увеличится на величину +ΔUp. Это приведет к тому, что момент открытия транзистора, формируемый ШИМ, наступит позже, а время открытого состояния транзистора tвкл уменьшится. В результате выходное напряжение уменьшится и его заданное значение восстановится.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы